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7. Aluminiumlegierungen 7.1 Aluminium (Al) Ordnungszahl 13 Relative Atommasse 26,982 u Schmelzpunkt 660 °C Schmelzwärme 403 J/g Elektrische Leitfähigkeit 37,8 m/  mm² Wärmeleitfähigkeit 238 W/m K Spezifische Wärme 0,917 J/g K Ausdehnungskoeffizient 23,8  10 -6 1/K

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Presentation Transcript
slide1

7. Aluminiumlegierungen

  • 7.1 Aluminium (Al)
  • Ordnungszahl 13
  • Relative Atommasse 26,982 u
  • Schmelzpunkt 660 °C
  • Schmelzwärme 403 J/g
  • Elektrische Leitfähigkeit 37,8 m/ mm²
  • Wärmeleitfähigkeit 238 W/m K
  • Spezifische Wärme 0,917 J/g K
  • Ausdehnungskoeffizient 23,8  10-6 1/K
  • Dichte 2,70 g/cm³
  • Kristallstruktur kfz
  • Gitterkonstante 4,04  10-10 m (RT)
  • Elastizitätsmodul 72.000 N/mm²
  • Querkontraktionszahl 0,34

VL7

Aluminium

slide2

Al-Knetlegierungen

  • zur Herstellung von Halbzeugen
  • Prozeßkette: Formate gießen  Hochglühen  Warmumformen  Halbzeug ( Wärmebehandlung  Zerspanen  etc.)
  • wichtige Eigenschaft: plastische Verformbarkeit
  • geringe Gehalte an Legierungselementen
  • überwiegender Gefügebestandteil: Al-Mischkristall
  • Al-Gußlegierungen
  • zur Herstellung von Formgußteilen
  • Prozeßkette: Formen gießen ( Wärmebehandlung  etc.)
  • wichtige Eigenschaft: Gießbarkeit
  • höhere Gehalte an Legierungselementen, nahe der eutektischen Zusammensetzung
  • überwiegender Gefügebestandteil: Eutektikum

VL7

Aluminium-Knetlegierungen / Gußlegierungen

slide3
VL7

Aluminium-Knetlegierungenchemische Zusammensetzung

slide4
VL7

Aluminium-Gußlegierungenchemische Zusammensetzung

slide5

EN AW-XXXX

EN = Europäische Norm,

A = Aluminium,

W = Knetlegierung (Wrought).

1. Ziffer = Legierungssystem

1XXX = Aluminium > 99%

2XXX = Al-Cu

3XXX = Al-Mn

4XXX = Al-Si

5XXX = Al-Mg

6XXX = Al-Mg-Si

7XXX = Al-Zn-Mg

8XXX = Al-Sonstige

  • EN AW-1XXX
  • 2. Ziffer = Anzahl absichtlich hinzuge- fügter Legierungselemente
  • 3.+4. Ziffer = Mindestanteil Al in 99,XX %
  • Bsp. EN AW-1098 = EN AW-Al 99,98
  • EN AW-2XXX bis 8XXX
  • 2. Ziffer = Legierungsabwandlung 0 = Original, 1 = 1. Abwandlung, etc.
  • 3.+4. Ziffer = Zählnummern
  • Bsp. EN AW-2024 = EN AW-AlCu4Mg1

VL7

Bezeichnung von Aluminium-KnetlegierungenInternationales Nummernsystem nach EN 573

slide6

X.XXXX

1. Ziffer = Hauptgruppe3 = Leichtmetalle (Al,Mg,Ti)3.0000 – 3.4999 = Al3.5000 – 3.5999 = Mg3.7000 – 3.7999 = Ti

2. Ziffer = Legierungselement mit höchstem Anteil0 = keine / andere1 = Cu2 = Si3 = Mg4 = Zn

3. Ziffer = Legierungselement mit zweithöchstem Anteilwie zweite Ziffer, bzw.5 = Mn, Cr6 = Pb, Bi, etc.7 = Ni, Co8 = Ti, Zr, etc.9 = Fe

4. Ziffer = Anteil Legierungselement mit höchstem Anteil0-2 = gering3-6 = mittel7-9 = hoch

5. Ziffer0-3 = Gußlegierung4 = Luftfahrtlegierung5-9 = Knetlegierung

Bsp. 3.1354 = EN AW 2024 = EN AW AlCu4Mg1

VL7

Bezeichnung von Aluminium-KnetlegierungenDeutsches Nummernsystem (alt) nach DIN 1725

slide7

Unlegierte Aluminium-Knetlegierungen

  • EN AW-Al „Reinheitsgrad“
  • EN = Europäische Norm, A = Aluminium, W = Knetlegierung (Wrought).
  • Bsp. EN AW-Al 99,98 = EN AW-1098
  • Legierte Aluminium-Knetlegierungen
  • EN AW-Al „Symbole der Legierungs-elemente, Massenanteile in %“
  • EN = Europäische Norm, A = Aluminium, W = Knetlegierung (Wrought).
  • Bsp. EN AW-AlCu4Mg1 = EN AW-2024

VL7

Bezeichnung von Aluminium-Knetlegierungenmit chemischen Symbolen nach EN 573

slide8

Al-Mischkristall

grobe Primäraus-scheidungenbeim Erstarren(Fe,Mn)3SiAl12,Mg2Si (eingeformt)

+ feine rekristalli-sationshemmendeAusscheidungenbeim Hochglühen(lichtmikroskopischnicht erkennbar)

 100 µm

 20 µm

VL7

LXII 767-6/36, LXII 768-3/12

Gefüge der Al-Knetlegierung EN AW-6060 (AlMgSi)Lichtmikroskopie

slide9

(Al)+L

L+

(Al)+

VL7

Binary Alloy Phase Diagrams, ASM, 1986

Zustandsdiagramm Al-Cu

slide10

T

LG

Ausscheidungs-beginn

log t

kontinuierlicher Abschreckverlauf in kontinuierlichem Zeit-Temperatur-Ausscheidungs-Diagramm,Problem: für Al-Legierungennicht verfügbar, s. Kapitel 7.5

Abschreckungschnell genug,keine Ausscheidung

Abschreckungzu langsam,Ausscheidungen

Aluminium-Taschenbuch

VL7

kontinuierliches Zeit-Temperatur-Ausscheidungs-Diagramm bzw. Abschreckdauer

slide11

kontinuierlicherAbschreckverlauf in isothermischemZeit-Temperatur-Ausscheidungs-Diagramm,nicht zulässig,

s. Kapitel 7.5

VL7

Zschech / Ashby, Jones, 1996

Isothermisches Zeit-Temperatur-Ausscheidungs-Diagramm der Legierung AlCu4

slide12
VL7

Macherauch, Praktikum in Werkstoffkunde

Ausscheidungen beim Warmauslagern von Al-Cu-Legierungen

slide13

lichtmikroskopisch nicht sichtbar Transmissionselektronenmikroskop

VL7

Ausscheidungssequenzen von Al-Legierungen

slide14
VL7

Zschech / Ashby, Jones, 1996

Verfestigung beim Warmauslagern der Legierung AlCu4

slide15

Auslagerungs-temperatur ,

Auslagerungs-dauer ,

MaximaleFestigkeit 

VL7

ASM Handbook, 1991

Einfluß der Auslagerungstemperatur auf dieFließspannung der Al-Legierung 2014

slide16

+ ggf. weitere Ziffern zur genaueren Spezifikation

VL7

Bezeichnung von Wärmebehandlungszuständen

slide17
VL7

Teilchenarten in Al-Knetlegierungen

slide18

EN AW-2024EN AW-AlCu4Mg1 1,7 at.% Cu 1,5 at.% Mg

1,5 at.% Mg

(Al)

500°C

(Al) = Al-MK

 = Al2Cu

S = Al2CuMg

96,8 at.% Al

1,7 at.% Cu

Ternary Alloys,VCH, 1991

VL7

Ternäres Zustandsdiagramm Al-Cu-MgProjektion der Solvus-Linien

slide19

[DIN 1725]EN 573

[E-AlMgSi]

[E-AlMgSi0,5]

AlMgSi

AlSiMg(A)

AlSi1MgMn

AlMg1SiCu

AlMgSiPb

AlCu6BiPb

AlCu4PbMgMn

nur Kaltauslagern

AlCu4MgSi(A)

AlCu4Mg1

AlCu4SiMg

nur Kaltauslagern

nur Kaltauslagern

AlZn4,5Mg1

AlZn5Mg3Cu

AlZn5,5MgCu

VL7

Aluminium-Taschenbuch, 1988

Ausscheidungshärten von Al-KnetlegierungenLösungsglühtemperatur und Auslagern

slide20
VL7

Aluminium-Taschenbuch, 1988

Ausscheidungshärten von Al-KnetlegierungenLösungsglühdauer

slide21

EN573

AlCu4MgSi(A)

AlSi1MgMn

AlMgSi

VL7

Aluminium-Taschenbuch, 1988

Ausscheidungshärten von Al-KnetlegierungenAbschreckgeschwindigkeit

slide22

Ausscheidungs-härten:

  • 540°C 30min / Abschrecken / 175°C 600min
  • GP-Zonen (nadelförmig) bzw. ‘ Mg2Si (stäbchenförmig)
  • Härte 90 HV

Al <100>

 200 nm

VL7

TEM 4067

Gefüge der Al-Knetlegierung EN AW-6060 (AlMgSi)Transmissionselektronenmikroskopie

slide23

Li- bzw. Sc-Atome

Anzahl/Elementarzelle

= 8 x 1/8 = 1

Al-Atome

Anzahl/Elementarzelle

= 6 x 1/2 = 3

Geordnete Überstruktur des kfz-Gitters

Kohärent zum

Kfz Al-Mischkristall

Gittermisfit

Al3Li/Al:  = -0,3%

Al3Sc/Al:  = 1,3%

VL7

Al3Li bzw. Al3ScL12-Struktur

slide24
VL7

Typische Zusammensetzungen und Eigenschaftenvon Al-Li-Legierungen

slide25

Sprühkompaktieren

Strangguss

Temperatur [°C]

Abkühlrate während der Erstarrung [K/s]

Toropova et al.

Sc-Konzentration [Gew.%]

Hyde et al.

VL7

Zustandsdiagramm Aluminium-Scandium;Scandiumlöslichkeit abhängig von Erstarrung

slide26

1h

1d

1000

Al-0,4Sc-0,15Zr

600

Härte [MPa]

Al-0,4Sc

200

10

103

105

107

550

TA=350°C

Auslagerungszeit [s]

450

Rekristallisationstemp. [°C]

300

0

0.3

0.6

Konzentration [Gew.%]

Davydov et al.

Davydov et al.

VL7

Auslagerungsverhalten Aluminium-Scandium;Rekristallisationshemmende Wirkung

slide27

Al-Mn-Knetlegierungen:

Mn-Gehalte < ca. 1,5 Ma. %

Zustandsdiagramme

Al-Mg und Al-Si,

Al-reiche Seite:gleicher Typ

VL7

Aluminium-Taschenbuch, 1988

Nichtaushärtbare Al-KnetlegierungenZustandsdiagramm Al-Mn

slide28

Erzeugung desÜMK durchLösungsglühenund Abschecken

Abschreck-geschwindigkeitgeringer als beiaushärtbarenAl-Legierungen

VL7

Ashby, Jones, 1998

MischkristallverfestigungIsothermisches Zeit-Temperatur-Ausscheidungs-Diagramm von AlMg5,5

slide29
VL7

Aluminium-Taschenbuch, 1988

MischkristallverfestigungAl-Mn- und Al-Mg-Knetlegierungen

slide30
VL7

Aluminium-Taschenbuch, 1988

VersetzungsverfestigungAl-Mn- und Al-Mg-Knetlegierungen

slide31

Bezeichnung von Versetzungsverfestigungszuständen

HXX H = „Strain Hardened“

1. Ziffer: 1 = nur kaltumgeformt

2 = kaltumgeformt und geglüht

3 = kaltumgeformt und stabilisiert*

* Al-Mg, kurzzeitiges Glühen bei 120-175°C, Vorwegnahme einer Entfestigung (Erholung), die sonst bei RT und langen Zeiten auftritt

2. Ziffer: 8 = voll hart (75% Querschnittsreduzierung beim Kaltumformen)

6 = 3/4 hart**

4 = 1/2 hart**

2 = 1/4 hart**

** 3/4, 1/2 bzw. 1/4 der Zugfestigkeit des Zustands „voll hart“

Bsp. 5052 (AlMg2,5) H38: Rp0,2 255 N/mm²

VL7

Bezeichnung vonVersetzungsverfestigungszuständen

slide32
VL7

Quelle: Aluminium-Taschenbuch, ASM Metals Handbook

Aluminium-Knetlegierungen

slide35

XXX.X

1. Ziffer = Legierungssystem

1XX.X = Aluminium > 99%

2XX.X = Al-Cu

3XX.X = Al-Si-Cu, Al-Si-Mg

4XX.X = Al-Si

5XX.X = Al-Mg

7XX.X = Al-Zn

8XX.X = Al-Sn

9XX.X = Al-Sonstige

Legierungsmodifikationen:fortlaufende BuchstabenAXXX.X, BXXX.X, etc.

  • 1XX.X
  • 2.+3. Ziffer = Mindestanteil Al in 99,XX %
  • 4. Ziffer = Produktform 0 = Formguß 1 = Formateguß
  • Bsp. 150.1 = Al99,5 Formateguß
  • 2XX.X bis 9XX.X
  • 2.+3. Ziffer = Zählnummer
  • 4. Ziffer = Produktform 0 = Formguß 1 = Formateguß
  • Bsp. 356.0 = AlSi7Mg Formguß

VL7

Bezeichnung von Aluminium-GußlegierungenNummernsystem Aluminum Association (AA), USA

slide36

EN AC-XXXXX

EN = Europäische Norm,

A = Aluminium,

C = Gußlegierung (Cast).

1. Ziffer = Legierungssystem

2. Ziffer = Legierungsgruppe

21XXX = Al-Cu42XXX = AlSi7Mg43XXX = AlSi10Mg

44XXX = Al-Si45XXX = AlSi5Cu46XXX = AlSi9Cu51XXX = Al-Mg

EN AC-Al „Symbole der Legierungs-elemente, Massenanteile in %“

EN = Europäische Norm, A = Aluminium, C = Gußlegierung (Cast).

Bsp. EN AC-AlSi7Mg = EN AC-42100

VL7

Bezeichnung von Aluminium-GußlegierungenEuropäisches Nummernsystem undBezeichnung mit chem. Symbolen nach EN 1780

slide37

Unterkühlbarkeit der veredelten Legierungen

VL7

Aluminium-Taschenbuch, 1988

Al-GußlegierungenZustandsdiagramm Al-Si

slide38

EutektikumAl-Mischkristall

+ Si

Al-Mischkristall

 100 µm

 10 µm

VL7

LXIII 613-5/24, LXIII 613-6/35

Gefüge der Al-Gußlegierung AlSi7MgLichtmikroskopie

slide39

nach Warmauslagern

VL7

Aluminium-Taschenbuch, 1988

Ausscheidungshärten der Al-Gußlegierung AlSi10MgLösungsglühdauer und Warmauslagern

slide40

Wasser

Wasser

Wasser

Wasser

Wasser

Wasser

Wasser

VL7

Aluminium-Taschenbuch, 1988

Ausscheidungshärten von Al-GußlegierungenLösungsglühen, Abschrecken, Auslagern

slide41
VL7

Quelle: Aluminium-Taschenbuch, ASM Metals Handbook

Aluminium-Gußlegierungen

aluminiumanteil im automobilbau
Aluminiumanteil im Automobilbau
  • Aluminiumanteil im Automobilbau (mit Stahlkarosserie)
  • für kleine PKW ca. 2-4%,
  • für mittlere PKW ca. 4-8%,
  • für große PKW bis zu 15% des Gewichts.
  • Dieser Anteil setzt sich zusammen aus
  • ca. 82% Gußteilen,
  • ca. 2% Schmiedeteilen,
  • ca. 8% Strangpreßteilen,
  • ca. 8% Blechteilen.

VL7

Aluminium-Taschenbuch 1997; F. Ostermann 1992, 1998

Ke813

slide46

Al

Fibre 

Fibre 

Al

Fibre 

Fibre 

Al

VL7

Applied Composite Materials, 2003

FML Fibre Metal Laminates

slide47

Al-Legierung,Dicke je Lage 0,3-0,5 mm

GlasfaserverstärkterPolymerwerkstoff,Dicke je Lage 0,25-0,5 mmmind. zwei verschiedeneFaserrichtungen je Lage

Dichte GLARE  90% Dichte Al

GLARE 3/2

VL7

Applied Composite Materials, 2003

GLARE Glass Reinforced

slide48
VL7

Applied Composite Materials, 2003

GLARE Qualitäten